探究工业工程改造虚拟现实实验室

探究工业工程改造虚拟现实实验室

引言

工业工程(Industrial Engineering,IE)是研究组织如何用最有效的方式来使用包括人、机器、材料、信息及能源等基础因素来进行制造过程的学科[1-2]。工业工程具有管理学和工程学双重属性,它利用工程技术手段对研究对象进行观察、实验、分析、设计,是一门实践性极强的学科[3-5]。工业工程实验室始建于2002年,主要是为工业工程、电子商务、信息管理等本科专业学生开设专业基础实验和专业实验。现代工业工程综合实验室开设实验的总体层次结构见图1所示。工作研究实验属于基础工业工程层次,它的技术体系是着眼局部改造。

基础工业工程加上人因工程、制造系统、生产运作管理、质量管理与可靠性、物流工程这5个实验模块构成了传统工业工程,其特点是着眼于生产和管理的全过程和整体系统的效益提高。传统工业工程加上企业信息化及系统建模与仿真2个实验模块构成了现代工业工程,它在全面性、整体性的基础上,吸收了信息技术的特点,面向企业的柔性化、集成化、全面化服务。其中工业工程的一些共同核心实验设备群包括:机械加工单元、产品装配单元、原材料、产成品仓储单元及设计与管理单元,见图2。因场地面积、设备台套数、能耗等资源所限,也为了给更多的同学以更直观、更深入的工业工程实验沉浸式学习体验机会,我们希望我们的工业工程实验室能够有能力在网络上进行虚拟现实的展示。1虚拟现实展示虚拟现实(Virtual Reality,VR)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[6-7]。人的眼睛接收的信息量最大,所以虚拟现实中最重要的就是三维(3D)立体的展示。立体视觉就是需要两只眼睛看见的有所不同,从而形成视差产生立体感[8-9]。

形成3D立体视觉的方法,我们总结归纳为:

(1)色分法。这种方法又叫补色法,在接收机屏幕上用互补的两种颜色分别显示出供左、右两眼观看的图像,如图3所示。

(2)振分法。将左右眼图像分别用偏振方向正交的两个偏振光投射到人眼,通过戴上一副通透偏振光的眼镜,使两眼分别看到所需图像,见图4。

(3)时分法。以一定速度频率轮换传送左右眼图像,显像端在屏幕上轮流显示双眼应对应的各自图像,见图5。

(4)空分法。利用空间位置,把画素分配给左眼和右眼,见图6。

(5)真三维。立体视觉系统中最新的研究方向,可以直接观察到具有物理景深的三维图像,见图7。2经济型VR/3D改造方案研究型教学模式是相对于以单向知识传授为主的教学模式提出的[10-11],其目的归根结底是要培养出一种创造性地运用知识、观察问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力[12-13]。为了更有效地利用资源,也为了给同学提供一个低成本的工业工程实验沉浸式学习体验平台[14-15],我们提出了工业工程实验室经济型VR/3D改造方案,如图8所示。

整个系统业务流程由下向上可分为:“三维信息获取”、“三维信息处理”、“三维信息发布”与“三维信息接收”4个环节。

1)三维信息获取。获取实验系统三维展示的原始数据(源信息部分)。此环节中,我们采用的硬件是富士REAL 3D W1立体数码相机,见图9,设备造价约为3 000元。其有效像素1 000万像素,采用双潜望式镜头。可获取3D静止图像(多重画面格式的MPO及JPEG格式),也可获取3D动态视频(双图像通道的立体声3D-A VI格式)。

(2)三维信息处理。对获取的三维展示信息进行理以及格式转化,以获得我们所需格式的

图像及视频。此环节,我们采用的软件为3DCombine软件,目前其最新版本为v5.33,造价为49.5美元。以3DCombiner软件对获取的双通道的图像及视频进行合成,处理为“Red/Blue Anaglyph(Color)”格式的图像及视频,见图10,以适应经济型三维信息接受(红蓝眼镜方式)。此环节的硬件部分,可采用普通的图形工作站结合红蓝眼镜(塑胶镜架、树脂镜片,约5元/副)等各种实验观测装置。

(3)三维信息发布。将处理完成的Red/BlueAnaglyph(Color)格式的图像及视频存储起来,上传至Web Server,通过网络将三维展示信息进行虚拟实验室的传输发布。

(4)三维信息接收。以PC机等个人设备通过校园网和Intranet/Extranet/Internet途径,接收虚拟实验室信息,并以多个红蓝眼镜等方式进行三维展示(纸质镜框、塑料薄膜镜片,约为1元/副)。整个系统造价低廉效果佳,只需在原有虚拟实验室软硬件的基础上增加不到1万元的投入,就可完成对工业工程虚拟实验室系统进行经济型VR-3D改造。

3结语

工业工程实验室经济型VR/3D改造方案,可以在原有的工业工程虚拟实验室系统基础上,给同学提供一个低成本高质量的沉浸式学习平台。可进一步对系统进行扩充,以得到性能更好的虚拟现实体验(如以闪断式液晶眼镜展示“Interlaced”图像视频,也可以偏振光眼镜、液晶眼镜立体显示器、环幕、球幕及真三维显示器展示转化后的相应专有图像视频格式),但需要增加进一步的投入。